Advanced Functional Materials:最优的设计源于自然—— 基于仿生电极集流体的透明柔性超级电容器的设计

随着电子设备的不断更新迭代,传统电子产品已经无法满足人们的需求。2013年,台湾宝创科技公司宣布首次研发设计出柔性透明手机的消息引发了广泛的关注。虽然在随后的几年内该手机并未能如愿进入市场,但是这个想法和设计着实让大家眼前一亮。柔性透明手机中存在很多的问题,其中一个原因是其关键的储能部件无法实现透明和柔性。传统的储能器件如锂离子电池,超级电容器无法实现透明归因于其结构组成中的集流体,电极材料,以及隔膜,电池壳等不具有透明性质,因此,要研制透明储能器件,就需要对其器件结构进行设计。

近年来,研究人员在透明储能器件领域做出了大量的贡献,例如研制出基于网格电极的透明锂离子电池、基于PEDOT:PSS的透明柔性超级电容器和基于超薄石墨的透明双电层超级电容器等。虽然这些器件实现了良好的透光性能且具有储能器件的性质,但是它们微乎其微的储能容量限制了其实际应用。如何在透光性和储能容量这对个矛盾中取得一个平衡点是横在研究人员头上的一道难题。

华南师范大学华南先进光电子研究院高进伟教授课题组最近在柔性透明储能器件领域取得了重要进展,他们通过模仿树叶叶脉网络的集流体设计,制备出高性能的透明柔性超级电容器。随着千百万年的进化,树叶叶脉网络形成了一个高效的养分输运机制,能够以最小能耗的方式传输树叶形成的养分。并且为了最大程度的进行光合作用,树叶叶脉通过自我进化,形成了最优的均匀分形网格,在保持高效的养分收集传输的同时,还能够实现最大的光合作用的面积。最优的设计源于自然,高进伟教授课题组基于该设想,通过光刻将树叶叶脉网络成功复制,制备出基于树叶叶脉分形金属网络的透明导电电极,并且验证了其具有优异的光学性质和电荷传输能力。最后通过电化学沉积,在金属叶脉网络上生长聚吡咯作为电极活性材料,制备出了具有高容量和良好透光性的超级电容器。单电极在维持60%的透光度的同时,容量密度高达13 mF/cm2。透明柔性的超级电容器器件不仅表现出了良好的储能透光性质,同时还展现了优异的机械弯曲性能,该工作中的集流体可以作为一种普适的设计,不仅可以用于超级电容器中,还能作为集流体被应用到锂离子电池,锌离子电池等具有更高工作电压和更高的能量储存密度的器件当中,为日后的柔性透明的电子设备提供了相互匹配的储能器件。相关的结果发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201906618)上。